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【內含pdf】氣體吸附技術在陶瓷行業表征中的應用

閱讀：853 發布時間：2023-4-14

摘要：氣體吸附技術是材料表面物性表征的重要方法之一，基于吸附分析能夠對陶瓷材料的比表面積、孔容及孔徑分布、真密度等參數進行精準的分析。進而可以考察材料的吸附、催化、導熱、吸音和抗震等多種性能，助力先進陶瓷材料的快速高質量發展。

陶瓷是以粘土為主要原料，并與其他天然礦物經過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料以及各種制品，是陶器和瓷器的總稱。隨著現代高新技術的發展，先進陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分，由于先進陶瓷特定的精細結構和其高強、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、磁性、半導體以及壓電、聲光、生物相容等一系列優良性能，被廣泛應用于國防、化工、冶金、電子、機械、航天、生物醫學等國民經濟的各個領域。

01 先進陶瓷材料的分類

先進陶瓷，按化學成分可分為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途可分為功能陶瓷和結構陶瓷兩大類。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能，具有電氣性能、磁性、生物特性、熱敏性和光學特性等特點；結構陶瓷主要基于材料的力學和結構用途，具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特點。

02氣體吸附技術助力陶瓷材料的性能研究

研究發現，陶瓷材料的加工性能和功能屬性與其本身的物性參數有著密不可分的關系。例如，陶瓷材料的比表面積和孔徑分布與陶胚的加工和燒結固化、成品強度、質感和密度等有著緊密的聯系；一般來說，陶瓷原材料的比表面積越大，相應的燒結溫度就會較低，且燒結效率會更高。此外，對于多孔陶瓷材料來說，具有體積密度低，孔分布均勻且尺寸可控，孔隙率高、高比表面積等特性，使其具備廣泛的應用場景。因此，非常有必要對陶瓷材料的比表面積、孔徑分布和密度等物性參數進行表征。

03比表面積和孔徑分布在陶瓷材料表征中的應用

（1）碳化硅陶瓷材料表征案例

碳化硅（SiC）陶瓷材料具有良好的耐磨性、導熱性、抗氧化性及優異的高溫力學性能，被廣泛應用于能源、環保、化工機械、半導體、國防等領域^[1]。碳化硅陶瓷材料的應用經歷了從低表面積發展成為多孔、高比表面積的方向。

這其中多孔碳化硅材料是一種兼具結構性和功能性的陶瓷材料，其不僅具有陶瓷基體的優良性能，而且還具有較大的氣孔率、氣孔表面積以及可調節的氣孔形狀、氣孔孔徑尺寸及其分布、氣孔在三維空間的分布及其連通性等。其豐富的孔徑結構使其可在嚴苛的環境條件下作為氣體、液體（如熔融金屬）、固體顆粒的過濾材料以及催化劑載體等^[2]。

以下是使用國儀量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對碳化硅陶瓷材料的表征案例。測試前，樣品均在200℃真空條件下加熱1小時進行脫氣處理。在進行BET方程計算時，對于介孔、大孔以及無孔材料，P/P₀選點范圍為0.05-0.3；對于微孔材料或者含有微孔結構的材料，其P/P₀選點范圍一般會前置（大多數在0.01～0.1范圍）。從圖1可以看出，通過不同方法合成的SiC多孔陶瓷材料，其BET方程的P/P₀選點在0.01～0.1，分別為60.24 m²/g，78.07 m²/g和106.74 m²/g，差異較大，研究者可以通過比表面積的測試結果來進行基礎性能的預估；此外，結合性能測試，其比表面積的大小也能為其分析作用機理做一個參考。